城市污泥生物快速干化技术研究.pdf

城市污泥生物快速干化技术研究 * 李碧清1冯新1唐瑶2贺四华1沈韵璇1胡丽娅1 1. 广州市市政污水处理总厂， 广州 510655; 2. 广州大学 数学与信息科学学院， 广州 510006 摘要 研发了城市污水厂污泥好氧堆肥过程中的快速升温与生物快速干化技术。当蘑菇渣、 磷矿粉、 鸡粪、 高温菌种与 城市污泥以合适比例调配时， 试验堆体温度第 1 天可达到 66 ℃， 第 2 天达到 73 ℃， 第 5 天可达到 79 ℃。试验堆体含 水率第 5 天降到 51. 4， 第7 天降到47， 第11 天降到40以下， 第22 天降到30以下。生成的有机肥营养成分指 标及重金属含量均符合相关标准， 有机肥已在园林绿化中进行了应用。 关键词 城市污泥; 好氧堆肥; 生物快速干化; 有机肥 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408021 STUDY ON FAST BIODＲYING TECHNOLOGY OF SEWAGE SLUDGE Li Biqing1Feng Xin1Tang Yao2He Sihua1Shen Yunxuan1Hu Liya1 1. Guangzhou Sewage Treatment General Plant，Guangzhou 510655，China; 2. School of Mathematics and Ination，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China AbstractTechnologies of fast improving temperature and fast biodrying of sewage sludge aerobic composting were studied． The temperature of experiment stack reached 66 ℃ in the first day． In the second day，temperature of experiment stack reached 73 ℃． In the fifth day，the temperature of experiment stack reached 79 ℃ when mashroom slag，ground phosphate rock and chicken dropping were prepared in proper proportion． Moisture content of sewage sludge was reduced from 80 to 51. 4 on the fifth day． On the 7th day，moisture content of the experiment stack reached 47． On the 11th day，water moisture was less than 40． On the 22th day，water moisture reached less than 30． Organic fertilizer content and heavy metal content were tallied with national standards． The fertilizer had been used in planting trees and flowers． Keywordssewage sludge;aerobic composting;fast biodrying;organic fertilizer * 住建部科技攻关计划项目 2011- K6- 10 ; 广州市科技重大专项计划 项目 2011 产学研专项 2011Y5- 00008 。 收稿日期 2013 －11 －11 0引言 传统的城市污泥堆肥工艺存在着干化慢、 臭气扰 民、 重金属污染等问题。城市污泥中既含有植物生长 发育所需要的氮、 磷、 钾及维持植物正常生长发育的 钙、 镁、 铜、 锌、 铁等多种元素， 又含有病原微生物、 重 金属及某些难降解有机毒物。如何充分利用城市污 泥的有用成分， 同时去除城市污泥中的有害成分是城 市污泥堆肥技术研究的关键内容。 传统的污泥处理工艺流程是二沉池污泥经浓缩 后离心脱水， 污泥含水率只能降至 80 左右。板框 压滤机可将污泥含水率降至 60 以下， 但调理剂与 絮凝剂的加入不利于后续的资源化利用。 城市污泥的热干化与焚烧技术在国内外城市均 有应用， 其缺点是运行成本高， 处理过程中的臭气及 飞灰未能彻底控制。 而研究城市污水厂污泥生物快速干化技术， 就是 要利用生物方法使城市污泥实现快速干化和重金属 钝化， 使污泥处理过程中尽量少地产生臭气， 将城市 污泥变成有机肥， 减少土地的化肥使用量， 建立起城 市污泥与自然生态之间的良性物质循环， 实现环境质 量的提升和改善。 1试验部分 1. 1试验场地 试验地点位于广州从化市鳌头镇西湖村， 在混凝 土地面上开凿宽100 mm、 深120 mm 矩形断面沟槽， 形 成2 条长45 m， 间距1 m 的通风槽， 通风槽内安装直径 80 mm 的塑料通风管， 沿管道表面纵向每 30 mm 开一 98 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 排圆形通风孔。通风管上铺装木板面层， 使通风槽与 污泥条堆整体平整， 以利于翻堆机顺利翻堆。试验堆 体为梯形断面的条堆， 每个条堆长 45 m， 宽 3 m， 堆体 高1. 2 ～1. 5 m。试验堆体共6 个， 每个堆体间隔 2 m。 现场配置1 台变频器， 3 台 3 kW 鼓风机， 其最大吸入 风压 280 kPa， 最大排气压力 280 kPa， 最大通风量为 265 m3/h， 堆体最大通风量为0. 55 m3/ m3 min 。 1. 2试验材料及性质 试验污泥来自广州市石井污水处理厂离心脱水 污泥， 该厂污水处理工艺为 A2/O， 污水处理规模为 10 104m3/d， 每天产生含水率 80左右的污泥50 t。 污泥样品成分检测结果见表 1。 表 1污泥样品成分 Table 1Constitution of sewage sludge samplemg/kg 项目有机质总氮总磷铬铜镍锌锰 指标56.6 22 695.2 41 281.4 844.3 2 464.9 93.6 1 814. 7 488.9 残渣态385.6302.5 28.9242.3 230.3 蘑菇渣的含水率为 51. 8， 有机质含量为 58. 2。磷矿粉为过磷酸钙粉沫， 有效磷≥12， 有 机质≥8， 腐植酸、 氨基酸≥3。鸡粪采用晒干鸡 粪， 含水率 43. 8， 有机质含量 66. 1。试验菌种系 现场驯化培养， 由细菌、 放线菌、 霉菌和酵母菌等复合 而成， 有效活菌数超过 200 亿/g。 1. 3试验方案 试验方案按脱水污泥、 蘑菇渣、 磷矿粉、 鸡粪及高 温菌种的不同配比组合设计6 个试验方案， 详见表2。 表 2 6 个试验方案 Table 2The six experiment schemes 堆体 编号 脱水污泥/ m3 磨菇渣/ m3 磷矿粉/ kg 鸡粪/ kg 高温菌种/ kg 1510 25101501 200 351015090 45101 20090 55101501 20090 65101501 60090 1. 4预处理 在配料车间用混料装置按 V 脱水污泥 ∶ V 蘑 菇渣1∶ 2将两者快速均匀混合， 依次加入磷矿粉、 鸡粪、 高温菌种， 再混合均匀 1 次， 作为初始发酵物 料。初始发酵物料的含水率均为 55， 用铲车运送 形成堆肥条堆。 1. 5发酵干化 配制好的物料进入堆肥条堆后， 开启鼓风机。试 验堆体每天由翻堆机翻堆 1 次。第 1 ～3 天， 试验堆 体的鼓风机变频器频率设置为 35 Hz; 第 4 ～7 天， 鼓 风机变频器频率设置为25 Hz; 第7 ～30 天， 鼓风机变 频器频率设置为 15 Hz。 2试验结果 2. 1堆体温度 堆体温度的变化反映了堆体内部微生物活性变 化及堆肥工艺的运行状态。在有氧条件下， 堆体中的 微生物利用营养物质合成自身细胞， 并产生 CO2和 H2O， 同时释放能量促使堆体温度迅速上升。堆体温 度变化过程由升温、 高温、 降温和腐熟 4 个阶段组成。 图 1 是 2013 年 7 月期间的污泥堆肥温度变化曲 线。由图 1 可知 试验堆体温度从第 1 天起逐渐升 高， 升高到第 5 ～7 天后趋于稳定， 第 20 天后堆体温 度缓慢降低。各堆体温度在 50 ℃以上的状态都维持 了 7 d 以上， 达到了堆肥卫生学相关要求。 图 1污泥堆肥温度变化曲线 Fig．1Curve of temperature change of sewage sludge aerobic composting 堆体 4 号、 堆体 5 号、 堆体 6 号在第 1 天温度升 高到 60 ℃以上， 堆体 5 号、 堆体 6 号温度在第 2 天升 高到70 ℃以上， 堆体5 号在第5 天达到最高温 79 ℃， 堆体6 号在第6 天达到最高温78 ℃， 堆体4 号在第6 天也达到最高温 70 ℃。堆体 5 号、 堆体 6 号升温效 果较好， 实现了快速升温， 堆体腐熟较快。 2. 2堆体含水率 适宜的水分有利于堆体中微生物生长繁殖及有 机物的降解。堆体内微生物代谢增加了含水率， 此外 堆体的水分在通风和高温下会以水蒸气形式散失。 污泥堆肥含水率变化曲线见图 2。 由图 2 可知 试验堆体在第 30 天含水率降到最 低， 堆体 1 号6 号分别降低到 55、 51、 44、 09 环境工程 Environmental Engineering 图 2污泥堆肥含水率变化曲线 Fig．2Curve of water moisture change of sewage sludge aerobic composting 31、 28、 30。堆体 5 号、 堆体 6 号含水率降低速 度较快， 堆肥效果较好， 实现了物料快速干化。 2. 3堆体营养成分指标 干化后的堆体营养成分指标测定结果见表 3。 表 3各堆体干化后的堆体营养成分指标测定结果 Table 3The nutrition ingredient of dry sludge stackmg/kg 堆体编号氮磷钾总量 118 35132 67910 95961 989 217 21238 84510 84466 901 316 97446 82111 37675 171 418 84231 32211 81461 978 518 09245 01812 34775 457 614 81046 83311 29272 935 由表3 可知 堆体营养学各指标优于 CJ/T 309 2009城镇污水处理厂污泥处置农用泥质 中的 30 g/kg限值。 2. 4堆体重金属测定结果 堆肥结束后堆体重金属检测结果见表 4。 表 4堆体重金属检测结果 Table 4Determination results of heavy metal content in dry sludge stackmg/kg 堆体铬铜镍锌锰 1 号 26689339. 491 160607 2 号 22497844. 331 107613 3 号 23298338. 891 285682 4 号 20197440. 21 221610 5 号 15993840. 261 174633 6 号 193849371 003701 由表 4 可知 试验堆体中重金属含量都满足 CJ/ T 3092009 中 B 级泥质标准限值， 除总铜外的其他 重金属含量都满足 A 级泥质标准要求。 3污泥堆肥影响因素 3. 1高温菌种 试验菌种在现场驯化培养。该混合发酵菌种发 酵速度快、 耐高温， 能快速降解禽畜粪便、 城市污泥 等。高温堆肥过程中堆体里的寄生虫和病原菌被杀 死， 毒性有机物被降解， 重金属的钝化作用加强。发 酵菌种中大量的硝化细菌、 硫化细菌能有效吸收堆肥 过程中的 H2S、 NH3、 CO 及 CH4等， 减少臭气产生的 同时降低了氮的气态损失。 3. 2蘑菇渣掺入 蘑菇渣粒料小、 通透性好、 孔隙率高、 比表面积 大， 含有大量活性细菌、 真菌等。掺入蘑菇渣后， 堆体 更加膨松， 为各种微生物提供良好的栖息场所。同 时， 加入蘑菇渣提高了试验堆体 C/N， 降低了堆体初 期含水率， 促进了高温菌种对氧气的吸收利用， 从而 加快了菌种的繁殖与代谢速度。 3. 3通风量 堆体中氧气含量、 温度及通风量相互影响。如供 氧不足， 代谢不完全， 部分厌氧产物及代谢中间产物 会产生臭气; 如通风过量， 导致堆体温度下降， 反应速 度降低， 会产生过多的中间产物， 同时也增加了能耗 与运行费用。试验运行中应在保持堆体空隙内存在 足够的氧气的前提下， 将通风量降到最小， 利用微生 物代谢产生的热量来增加堆体的温度， 杀灭堆体中的 病原菌、 虫卵和草籽， 并促进重金属的钝化作用。 4推广应用 生物干化后的堆体粗颗粒经再配料、 混料、 破碎、 筛分及包装等后续加工工序后可制成有机肥， 含水率 达到 80时的污泥处理成本为 230 元/t。有机肥应 用于广州市从化城郊街万花园西的 1 000 亩樱花园， 园区主要种植樱花树、 黄花槐及油菜花等。有机肥使 用量为 5 ～ 10 kg/株， 按树的年龄施肥， 即 1 kg/ a 株 ， 每颗树的施肥点位于树冠地面投影周边。 5结语 通过好氧堆肥试验对城市污泥好氧堆肥堆体的 物料组成和运行参数的优化。堆体温度第 1 天达到 66 ℃， 第2 天达到73 ℃， 第5 天达到最高温度79 ℃。 最优化试验组堆体含水率第5 天降到51. 4， 第7 天 含水率降到 47， 第 11 天含水率降到 40 以下， 第 22 天含水率降到 30以下。生成的有机肥营养成分 指标及重金属含量经检测， 符合相关标准， 该技术目 下转第 95 页 19 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 现象， 而在第 10 ～40 天， 养分开始通过肥料的分解和 内部扩散而缓慢释放; 缓释肥中 80 的养分缓释时 间超过 30 d， 达到了相关缓释肥的标准。 图 6保水缓释肥的缓锌曲线 Fig．6The zinc release curve of water absorbent slow release fertilizer 3结论 本文针对我国高原地区高寒干旱的气候环境与 缺锌的土壤结构， 提出一种利用天然黏土凹凸棒与木 质素磺酸锌作为基质原料， 通过基质互穿网络的形 式， 采用溶液聚合法制备得到多组分多功能化的缓释 锌肥。本产品具备 “缓释锌肥、 吸水保墒、 改良土壤” 的功能， 在吸水率、 缓释性能等指标可达相关国家标 准要求， 可用于生态环保与农业肥料技术领域。该保 水缓释锌肥采用廉价的造纸废料木质素与黏土矿物 作为原料， 实现“废物再利用” ， 降低制造成本， 对缓 释微肥在生态修复工程领域的应用研究具有一定的 借鉴指导意义， 同时对我国践行“可持续发展” 与“生 态农业” 具有较大的实用价值与战略意义。 参考文献 ［1］刘合满， 张兴昌， 苏少华． 黄土高原主要土壤锌有效性及其影响 因素［J］． 农业环境科学学报， 2008， 27 3 898- 902. ［2］王德汉， 林辉东， 彭俊杰， 等． 木质素锌肥在粤北石灰性土壤上 的生物有效性研究［J］ ． 应用生态学报， 2004， 15 7 1236- 1240. ［3］赵燕洲， 薛春晓， 杨印海． 青藏铁路路域高寒草原生态修复技术 研究［J］． 铁道工程学报， 2013， 178 7 90- 94. ［4］丁靖康， 韩龙武， 李永强， 等． 青藏铁路多年冻土工程特性与冻 土工程［J］． 铁道工程学报， 2005 S1 328- 332. ［5］赵相卿， 熊治文， 韩龙武， 等． 多年冻土区典型路堑边坡失稳病 害的防治［J］． 铁道工程学报， 2009 1 32- 35. ［6］魏建方． 青藏铁路建设中高寒草原植被恢复与再造技术的研 究［J］． 冰川冻土， 2011， 33 4 859- 862. ［7］穆环珍， 杨问波， 陈倩， 等． 造纸黑夜木质素在肥料中的应用 ［J］． 环境保护， 2003 6 51- 54. ［8］Lucy Arianie．Potention of lignin，lignin sulfonate and lignin acetate from palm empty bunch as an additive substance in urea fertilizer as an effort to reduce the solubility of urea nitrogen［J］． Advanced Materials Ｒesearch， 2010， 409 93- 94. ［9］Wang Zhe，Xue Jingwen，Liu Wenxia．Nitrogen fixation and chelating property of wheat ammonium sulfite pulping spent liquor ［J］． Bioresources， 2012， 7 1 777- 788. ［ 10］朱启红， 伍钧． 新型木质素缓释肥料氮磷利用率研究［J］． 农机 化研究， 2006 9 141- 143. ［ 11］Li An，Wang Aiqin，Chen Jianmin．Studies on poly acrylic acid /attapulgite superabsorbent composite．I．synthesis and characterization［J］． Journal of Applied Polymer Science，2004， 92 1596- 1603. ［ 12］Li An，Zhang Junping，Wang Aiqin． Preparation and slow- release property of a poly acrylic acid /attapulgite/sodium humate superabsorbent composite ［J］．JournalofAppliedPolymer Science， 2007， 103 37- 45. ［ 13］Qin Shaohua，Wu Zhansheng，Ｒasool Aamir，et al． Synthesis and characterizationofslow- releasenitrogenfertilizerwithwater absorbency Based on poly acrylic acid- acrylic amide /Na- bentonite ［ J］ ． Journal of Applied Polymer Science， 2012， 126 1687- 1697. ［ 14］Zhang Junping，Liu Ｒuifeng，Li An，et al． Preparation，swelling behaviors，and slow- release properties of a poly acrylic acid- co- acrylamide /sodium humate superabsorbent composite［J］．Ind Eng Chem Ｒes， 2006， 45 48- 53. ［ 15］Li An，Zhang Junping，Wang Aiqin． Synthesis，characterization and water absorbency properties of poly acrylic acid /sodium humate superabsorbent composite［J］． Polym Adv Technol， 2005， 16 675- 680. 第一作者 薛春晓 1981 － ， 男， 高级工程师， 主要研究方向为生态修 复与风沙灾害防治。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 36230418 qq． com 上接第 91 页 前已经得到了一定程度的应用推广。 参考文献 ［1］李碧清， 唐瑶， 冯新， 等． 广州市利用城市污泥生产有机肥的实 践［J］． 中国给水排水， 2010， 26 24 67- 69. ［2］李碧清， 唐瑶， 冯新， 等． 广州市城市污泥方法［J］ ． 环境工程， 2011， 29 S1 220- 222. ［3］李碧清，唐瑶，唐霞， 等． 广州市排水系统存在的问题与对策 ［J］． 广东科技， 2013， 22 2 175- 176. ［4］冯新， 李碧清，罗刚，等． 广州市中心城区污泥处置项目管理 的实践探索［J］． 给水排水， 2011， 37 5 17- 19. 第一作者 李碧清 1966 － ， 男， 博士， 高级工程师， 总工程师， 主要研 究方向为水环境恢复。libiqing sohu． com 59 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal